WO2006108749A1 - Component with film cooling holes - Google Patents

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WO2006108749A1
WO2006108749A1 PCT/EP2006/060794 EP2006060794W WO2006108749A1 WO 2006108749 A1 WO2006108749 A1 WO 2006108749A1 EP 2006060794 W EP2006060794 W EP 2006060794W WO 2006108749 A1 WO2006108749 A1 WO 2006108749A1
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Thomas Beck
Silke Settegast
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Siemens Aktiengesellschaft
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Abstract

Conventionally coated components with film cooling holes are known, comprising a diffuser, extending through the layers into the substrate. According to the invention, the component is embodied such that the whole diffuser (13) is largely arranged in the layer (7, 10).

Description

Bauteil mit Filmkühlloch Component with film cooling hole
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Filmkühlloch ge- maß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a component with a film cooling hole GE measure the preamble of claim 1.
Bauteile für Anwendungen bei hohen Temperaturen bestehen aus einer Superlegierung mit zusätzlichem Schutz gegen Oxidation, Korrosion und hohe Temperaturen. Hierzu weist das Substrat des Bauteils eine Korrosionsschutzschicht auf, auf der bei¬ spielsweise noch eine äußere keramische Wärmedämmschicht auf¬ gebracht ist.Components for high temperature applications consist of a superalloy with additional protection against oxidation, corrosion and high temperatures. For this purpose, the substrate of the component to a corrosion protection layer on which at ¬ play as yet an outer ceramic thermal barrier layer is placed on ¬.
Zur zusätzlichen Kühlung werden noch Durchgangslöcher in das Substrat und die Schichten eingebracht, aus denen an der äußeren Oberfläche ein Kühlmedium austritt und zur Filmkühlung beiträgt. Dabei ist das Filmkühlloch in der Nähe der äußeren Oberfläche zu einem so genannten Diffusor verbreitert. Bei der Neuherstellung eines Bauteils mit einem Filmkühlloch ergeben sich Probleme, da der Diffusor sowohl durch die Schichten als auch größtenteils in das Substrat einge¬ bracht wird. Beim Refurbishment , dem Wiederaufarbeiten von Bauteilen besteht das Problem darin, dass das Durchgangsloch schon vorhanden ist und das Substrat wieder beschichtet wer¬ den muss, so dass danach auch aus dem Diffusorbereich im Durchgangsloch Beschichtungsmaterial entfernt werden muss.For additional cooling, through holes are also introduced into the substrate and the layers, from which a cooling medium emerges on the outer surface and contributes to film cooling. In this case, the film cooling hole is widened in the vicinity of the outer surface to a so-called diffuser. In the re-manufacturing a component with a film cooling hole, problems arise because the diffuser is introduced through both the layers and is mostly in the substrate ¬. During refurbishment, the refurbishing of components, the problem is that the through hole is already there and coating the substrate again ¬ the need, so then must also be removed from the diffuser area in the through hole coating material.
Die US-PS 4,743,462 offenbart eine Methode zum Verschließen eines Filmkühllochs, bei dem ein Stopfen, bestehend aus einem Stift und einem kugelförmigen Kopf in das Filmkühlloch ge- steckt wird. Dabei wird eine glockenförmige Vertiefung inner¬ halb der Beschichtung erreicht. Die Vertiefung dient jedoch nicht als Diffusor, da sie symmetrisch ausgebildet ist. Außerdem besteht die Wirkungsweise des Kopfs darin, dass das Material des Kopfs während der Beschichtung verdampft. Somit lassen sich genaue, reproduzierbare Vertiefungen für eine Vielzahl von Filmkühllöchern nicht herstellen. Eine ähnliche symmetrische Verbreiterung eines Filmkühllochs ist in der Figur 3 der US 6573,474 offenbart.US Pat. No. 4,743,462 discloses a method for closing a film cooling hole in which a plug consisting of a pin and a spherical head is inserted into the film cooling hole. In this case, a bell-shaped depression is achieved within ¬ half of the coating. However, the depression does not serve as a diffuser because it is symmetrical. In addition, the action of the head is that the material of the head evaporates during the coating. Thus, accurate, reproducible wells can not be made for a variety of film cooling holes. A similar symmetrical broadening of a film cooling hole is disclosed in FIG. 3 of US Pat. No. 5,573,474.
Die EP 1 350 860 Al offenbart ein Verfahren zum Maskieren eines Filmkühllochs. Das Material des Maskiermittels ist so gewählt, dass sich dort kein Beschichtungsmaterial während einer nachfolgenden Beschichtung abscheidet. Dabei ist keine genaue, reproduzierbare Form von Vertiefungen innerhalb einer Schicht erzeugbar. Außerdem ist hier kein Diffusor beschrie- ben.EP 1 350 860 A1 discloses a method for masking a film cooling hole. The material of the masking agent is chosen so that no coating material is deposited there during a subsequent coating. In this case, no precise, reproducible form of depressions within a layer can be produced. In addition, no diffuser is described here.
Die EP 1 091 090 A2 offenbart ein Filmkühlloch, bei dem eine Nut in die Schicht eingebracht wird, so dass die Nut längs mehrerer Filmkühllöcher verläuft. Weder die Filmkühllöcher noch die Nut weisen einen Diffusorbereich auf.EP 1 091 090 A2 discloses a film cooling hole in which a groove is made in the layer so that the groove runs along a plurality of film cooling holes. Neither the film cooling holes nor the groove have a diffuser area.
Die US-PS 5,941,686 offenbart ein Schichtsystem, bei dem das Substrat bearbeitet wird. Ein Diffusorbereich wird nicht offenbart .US Pat. No. 5,941,686 discloses a layer system in which the substrate is processed. A diffuser area is not disclosed.
Die EP 1 076 107 Al offenbart ein Verfahren zum Maskieren von Filmkühllöchern, bei dem jeweils ein Stopfen in dem Filmkühlloch erzeugt wird, der aus dem Loch herausragt. Dafür wird in einem ersten Schritt Luft durch das Filmkühlloch geblasen und eine Beschichtung aufgebracht, wobei dann ein Precursor für den herzustellenden Stopfen in das Filmkühlloch und in die Beschichtung eingebracht wird. Der Teil des Stopfens, der in¬ nerhalb der provisorischen Schicht angeordnet ist, wird in seiner Form dadurch bestimmt, wie stark ein Medium durch das Filmkühlloch geblasen wird und wie die Beschichtung der provisorischen Schicht erfolgt. Somit ist die Form des Teils des Stopfens, der aus dem Loch herausragt, nicht reproduzierbar.EP 1 076 107 A1 discloses a method for masking film cooling holes in which a plug is produced in each case in the film cooling hole which protrudes from the hole. For this purpose, in a first step, air is blown through the film cooling hole and a coating is applied, in which case a precursor for the plug to be produced is introduced into the film cooling hole and into the coating. The part of the plug disposed in ¬ nerhalb the temporary layer, in its shape determined by how much a medium is blown through the film cooling hole and how is the coating of the temporary layer. Thus, the shape of the part of the plug which protrudes from the hole is not reproducible.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu überwinden. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1.It is therefore an object of the invention to overcome this problem. The object is achieved by a component according to claim 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig in vorteilhafter Art und Weise mit- einander verbunden werden können.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be connected in any manner in an advantageous manner.
Es zeigenShow it
Figuren 1 bis 6 Ausführungsbeispiele eines erfindungsge¬ mäßen Bauteils mit einem Filmkühlloch, Figur 7, 8 zeigt eine Aufsicht auf ein erfindungsge¬ mäßes Filmkühlloch,Figures 1 to 6 show exemplary embodiments of a erfindungsge ¬ MAESSEN component with a film cooling hole, Figure 7, Figure 8 shows a plan view of a erfindungsge ¬ mäßes film cooling hole,
Figur 9 bis 13 Ausgestaltungen eines Filmkühllochs, Figur 14 veranschaulicht den Nachteil des Stands der Technik,Figure 9 to 13 embodiments of a film cooling hole, Figure 14 illustrates the disadvantage of the prior art,
Figur 15 eine Turbinenschaufel,FIG. 15 shows a turbine blade,
Figur 16 eine Brennkammer,FIG. 16 shows a combustion chamber,
Figur 17 eine Gasturbine.FIG. 17 shows a gas turbine.
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, 120, 130, 138, 155 bestehend aus einem Substrat 4 und einer einzigen äußeren Schicht 7.FIG. 1 shows a component 1, 120, 130, 138, 155 comprising a substrate 4 and a single outer layer 7.
Das Substrat 4 ist insbesondere bei Bauteilen 120, 130, 138, 155 für Turbinen eine Superlegierung auf einer Eisen-,The substrate 4 is a superalloy on an iron, in particular for components 120, 130, 138, 155 for turbines.
Nickel- und/oder Kobaltbasis. Die äußere Schicht 7 ist vor¬ zugsweise eine Korrosions- und/oder Oxidationsschicht auf der Basis einer Legierung MCrAlX (Fig. 15) . Sie kann aber auch keramisch sein.Nickel and / or cobalt base. The outer layer 7 is preferably before ¬ a corrosion and / or oxidation layer on the basis of an alloy of MCrAlX (Fig. 15). But it can also be ceramic.
Das Substrat 4 und die Schicht 7 weisen zumindest ein Film¬ kühlloch 28 auf, das auf der unter den betrieblichen Einsatzbedingungen heißen Seite 22 einen Diffusor 13 aufweist, der von der beispielsweise zylindrischen, quaderförmigen oder allgemein gesagt symmetrischen Kontur 49 des unteren Teils 24 des Filmkühllochs 28 nahe eines Kühlreservoir 31 abweicht und sich im Querschnitt vergrößert. Das Filmkühlloch 28 besteht also aus einem unteren Teil 24 und dem äußeren Diffusor 13. Der Diffusor 13 hat eine Austrittsöffnung 58, die von einem Heißgas in Überströmrichtung 37 überströmt wird. Der Diffusor 13 ist gebildet aus einer gedachten Fortsetzung 12 der Kontur 49 bis zur Oberfläche 25 und einem Zusatz 14 (Fig. 2), der sich an einer oder mehreren Seitenflächen der Fortsetzung 12 anschließt. In der Querschnittsansicht der Figur 1 hat der Zusatz 14 vor- zugsweise eine Keilform.The substrate 4 and the layer 7 have at least one film ¬ cooling hole 28, which has a hot side 22 under the operating conditions a diffuser 13, of the example cylindrical, cuboid or generally symmetrical contour 49 of the lower part 24 of the film cooling hole 28 deviates near a cooling reservoir 31 and increases in cross-section. The film cooling hole 28 thus consists of a lower part 24 and the outer diffuser 13. The diffuser 13 has an outlet opening 58, which is overflowed by a hot gas in the overflow direction 37. The diffuser 13 is formed from an imaginary continuation 12 of the contour 49 to the surface 25 and an additive 14 (FIG. 2), which adjoins one or more side surfaces of the continuation 12. In the cross-sectional view of FIG. 1, the additive 14 preferably has a wedge shape.
In der Ebene der äußeren Oberfläche weist der Diffusor 13 also keine Drehsymmetrie auf, wobei der Schwerpunkt der asym¬ metrischen Form von dem Schwerpunkt der symmetrischen Form der Kontur 49 in Überstromrichtung 37 verschoben ist. Entlang der Senkrechten 27 zur äußeren Oberfläche 25 hin wird die Querschnittsfläche des Filmkühllochs 28, auf der die Senkrechte 27 senkrecht steht, größer, d.h. der Diffusor 13 ist ganz oder vorzugsweise teilweise trichterförmig ausgebil¬ det.In the plane of the outer surface 13 thus comprises the diffuser no rotational symmetry, with a focus of the asym metrical form ¬ from the gravity center of the symmetric shape of the contour is moved to over-current direction 37, 49th Along the vertical 27 toward the outer surface 25, the cross-sectional area of the film cooling hole 28, on which the vertical 27 is perpendicular, larger, ie the diffuser 13 is fully or preferably partially funnel-shaped ausgebil ¬ det.
Erfindungsgemäß ist der Diffusor 13 zum größten Teil innerhalb der einzigen Schicht 7 angeordnet, d.h., wenn der Diffu¬ sor 13 sich mit einer Gesamtlänge 19 in die Tiefe längs einer Senkrechten 27 des Bauteils 1, die senkrecht auf der äußeren Oberfläche 25 oder senkrecht zur Überströmrichtung 37 steht, erstreckt, so ergibt sich eine Substratlänge 16 des Diffusors 13, die den Anteil des Diffusors 13 im Substrat 4 darstellt. Die Substratlänge 16 ist deutlich kleiner ausgebildet als die Gesamtlänge 19. Die gesamte Beschichtungsdicke 26 (hier die der Schicht 7) bildet den restlichen Teil der Gesamtlänge 19 des Diffusors 13. Die Beschichtungsdicke 26 beträgt mindes¬ tens 50%, vorzugsweise mindestens 60% oder mindestens 70%, insbesondere 80% oder 90% der Gesamtlänge 19.According to the invention, the diffuser 13 is arranged for the most part within the single layer 7, that is, when the Diffu ¬ sor 13 longitudinally with an overall length 19 in the depth of a vertical line 27 of the component 1, which is perpendicular to the outer surface 25 or perpendicular to the overflow 37, extends, the result is a substrate length 16 of the diffuser 13, which represents the proportion of the diffuser 13 in the substrate 4. The length of substrate 16 is significantly smaller formed as the total length of 19. The total coating thickness 26 (here, the layer 7) forms the remaining part of the total length 19 of the diffuser 13. The coating thickness of 26 is Minim ¬ least 50%, preferably at least 60% or at least 70%, in particular 80% or 90% of the total length 19.
Alternativ kann der Diffusor 13 vollständig in der einzigen Schicht 7 angeordnet sein (Fig. 3, Schichtdicke 26 = Gesamt¬ länge 19) . In der Figur 4 sind zwei Schichten auf dem Substrat 4 vorhanden.Alternatively, the diffuser 13 may be entirely in the single layer 7 arranged (Fig. 3, layer thickness 26 = total length ¬ 19). In FIG. 4, two layers are present on the substrate 4.
Dies ist wiederum eine Korrosions- und Oxidationsschutz- schicht 7, auf der noch eine äußere keramische Wärmedämm¬ schicht 10 aufgebracht ist.Again, this is a corrosion and oxidation protection layer 7 is applied on the still an outer ceramic thermal barrier layer ¬ 10th
Ebenso wie in Figur 1 gibt es die Längen 16, 19 des Diffusors 13, wobei die Schichtdicke 26 wiederum mindestens 50%, 60% oder insbesondere 70%, insbesondere 80% oder 90% der Gesamt- länge 19 ausmacht.As in FIG. 1, there are the lengths 16, 19 of the diffuser 13, wherein the layer thickness 26 again amounts to at least 50%, 60% or in particular 70%, in particular 80% or 90% of the total length 19.
Ebenso kann der Diffusor 13 vollständig in den zwei Schichten 7, 10 angeordnet sein (Fig. 5) .Likewise, the diffuser 13 can be arranged completely in the two layers 7, 10 (FIG. 5).
Entsprechend den zwei Schichten gemäß Figur 4, 5 gilt dies auch für drei oder mehr Schichten.According to the two layers according to FIGS. 4, 5, this also applies to three or more layers.
Dadurch dass der Diffusor 13 größtenteils oder ganz in den Schichten 7, 10 angeordnet ist, ergeben sich Vorteile beim Wiederaufarbeiten des Bauteils 1 beispielsweise hinsichtlich eines Laserabtragens oder eines Entfernens von Material ober- halb des unteren Teils 24, das nach dem Neubeschichten desAs a result of the fact that the diffuser 13 is arranged largely or entirely in the layers 7, 10, there are advantages in the reprocessing of the component 1, for example with regard to laser ablation or removal of material above the lower part 24, which occurs after repainting the component
Bauteils 1 die Austrittsöffnung 58 verdeckt, nämlich dadurch, dass der Laser oder sonstige Bearbeitungsapparaturen nur auf das Material der Schichten 7, 10 eingestellt werden muss und die Bearbeitung des anderen Materials, nämlich das des Sub- strats 4, nicht beachtet werden muss.Component 1 covers the outlet opening 58, namely the fact that the laser or other processing equipment must be adjusted only to the material of the layers 7, 10 and the processing of the other material, namely that of the substrate 4, must be disregarded.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil 1 mit einemFigure 6 shows a cross section through a component 1 with a
Filmkühlloch 28. Das Substrat 4 weist eine äußere Oberfläche 43 auf, auf der die zumindest eine Schicht 7, 10 aufgebracht ist.Film cooling hole 28. The substrate 4 has an outer surface 43 on which the at least one layer 7, 10 is applied.
Der Diffusor 13 ist beispielsweise größtenteils (gem. Fig. 1,For example, the diffuser 13 is largely (as shown in FIG.
3, 4, 5) in der Schicht 7, 10 angeordnet, kann aber auch ganz im Substrat 4 oder größtenteils im Substrat 4 vorhanden sein.3, 4, 5) in the layer 7, 10, but may also be present entirely in the substrate 4 or for the most part in the substrate 4.
Der untere Teil 24 des Filmkühllochs 28 weist im Längsschnitt beispielsweise eine Symmetrielinie 46 auf. Die Symmetrielinie 46 stellt beispielsweise auch eine Aus¬ strömrichtung 46 für ein Kühlmedium dar, das das Filmkühlloch 28 durchströmt.The lower part 24 of the film cooling hole 28 has in longitudinal section, for example, a line of symmetry 46. The symmetry line 46 provides for example, a flow direction from ¬ 46 for a cooling medium is that flows through the film cooling hole 28th
Eine Konturlinie 47, die parallel zur Symmetrielinie 46 auf der Innenseite des Filmkühllochs 28 verläuft oder eine Pro¬ jektion der Symmetrielinie 46 auf die Innenseite des unteren Teils 24 des Filmkühllochs 28 darstellt, bildet einen spitzen Winkel αl mit der äußeren Oberfläche 43, der insbesondere bei 30° +/- 10% liegt. Das Filmkühlloch 28 ist also in Über- Strömrichtung 37 geneigt.A contour line 47, which runs parallel to the line of symmetry 46 on the inside of the film-cooling hole 28 or a pro ¬ jection of the symmetry line 46 to the inside of the lower portion 24 represents the film cooling hole 28 forms an acute angle αl with the outer surface 43, in particular at 30 ° +/- 10%. The film cooling hole 28 is thus inclined in the overflow direction 37.
Die Kantenlänge a2s (Fig. 8) bzw. der Durchmesser φ2s des Filmkühllochs 28 beträgt beispielsweise etwa 0,62mm bzw. 0,7mm bei Laufschaufeln und etwa 0,71mm bzw. 0,8mm bei Leitschaufeln .The edge length a 2 s (FIG. 8) or the diameter φ 2 s of the film cooling hole 28 is for example about 0.62 mm or 0.7 mm for rotor blades and about 0.71 mm and 0.8 mm for guide vanes.
Die Konturlinie 47, die entlang der Kontur 49 des unteren Teils 24 vorzugsweise parallel zur Ausströmrichtung 46 ver¬ läuft, weist einen spitzen Winkel α2 mit einer DiffusorlinieThe contour line 47, which runs along the contour 49 of the lower part 24 ver preferably parallel to the outflow direction 46 ¬, has an acute angle α2 with a diffuser line
48 auf, die auf der Innenfläche 50 des Zusatzes 14 des Dif- fusors 13 verläuft und die eine Projektion der Überströmrich¬ tung 37 auf die Innenfläche 50 des Zusatzes 14 des Diffusors 13 darstellt.48, which extends on the inner surface 50 of the additive 14 of the diffuser 13 and which represents a projection of the overflow direction 37 onto the inner surface 50 of the additive 14 of the diffuser 13.
Der Winkel α2 beträgt insbesondere 10° +/- 10%. Der untere Teil 24 entlang der Symmetrielinie 46 weist einen konstanten Querschnitt auf, der insbesondere eine n-zahlige Drehsymmetrie (quadratisch, rechteckig, rund, oval,...) auf¬ weist .The angle α2 is in particular 10 ° +/- 10%. The lower part 24 along the symmetry line 46 has a constant cross-section, in particular an n-number rotational symmetry (square, rectangular, round, oval, ...) has on ¬ .
Der Diffusor 13 entsteht dadurch, dass sich die Querschnitts- fläche des Filmkühllochs 28 verbreitert, also im Längsschnitt trichterförmig ausgebildet ist. Der Zusatz 14 zu der KonturThe diffuser 13 is formed by the fact that the cross-sectional area of the film cooling hole 28 widened, that is to say it is funnel-shaped in longitudinal section. The addition 14 to the contour
49 erstreckt sich nicht notwendigerweise vollständig um die Austrittsöffnung 58 des Filmkühllochs 28 herum, sondern nur teilweise, insbesondere um die Hälfte oder weniger des Um- fangs der Austrittsöffnung 58.49 does not necessarily extend completely around the outlet opening 58 of the film cooling hole 28, but only partially, in particular by half or less of the circumference of the outlet opening 58.
Vorzugsweise ist der Diffusor 13 nur - in Überströmrichtung 37 des Heißgases 22 gesehen - im hinteren Bereich der Öffnung 58 angeordnet (Fig. 7) . Seitenlinien 38 des Diffusors 13 oder der Zusatz 14 verlaufen in der Draufsicht beispielsweise parallel zur Überströmrichtung 37 (Fig. 7).Preferably, the diffuser 13 is only - seen in the overflow 37 of the hot gas 22 - arranged in the rear region of the opening 58 (Fig. 7). Side lines 38 of the diffuser 13 or the additive 14 extend in plan view, for example, parallel to the overflow direction 37 (FIG. 7).
Die gesamte Schichtdicke der zumindest einen Schicht 7, 10 beträgt etwa 400μm bis 700μm, insbesondere 600μm.The total layer thickness of the at least one layer 7, 10 is about 400 μm to 700 μm, in particular 600 μm.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Filmkühllochs 28 und eine Draufsicht auf den Diffusor 13 in der Ebene der äußeren Oberfläche 25 des Schichtsystems bzw. Bauteils 1. Der Zusatz 14 weist in der Ebene der äußeren Oberfläche 25 beispielsweise eine Trapezform auf.8 shows a further embodiment of the film cooling hole 28 and a plan view of the diffuser 13 in the plane of the outer surface 25 of the layer system or component 1. The additive 14 has, for example, a trapezoidal shape in the plane of the outer surface 25.
In der Ebene der Oberfläche 25 weist der Zusatz 14 des Diffu- sors 13 in Überströmrichtung 37 eine Längslänge Ii vorzugs- weise von etwa 3mm auf.In the plane of the surface 25, the addition 14 of the diffuser 13 in the overflow direction 37 has a longitudinal length II, preferably of about 3 mm.
Die größte Breite, d. h. die größte Querlänge I2 des Diffu- sors 13 in der Oberfläche, also senkrecht zur Überströmrich¬ tung 37 gemessen, weist vorzugsweise eine Größe von 2 H— 0,2 mm bei Laufschaufeln und eine Größe von 4 H— 0,2 mm bei Leit- schaufeln auf und beträgt höchstens 8mm.The largest width, ie the diffu- measured sors 13 in the surface, that is perpendicular to the processing Überströmrich ¬ 37, the largest cross-length I 2, preferably has a size of 2 H- 0.2 mm for blades and a size of 4 H- 0 , 2 mm with guide vanes and is 8 mm at the most.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 8 beginnt die Verbreite¬ rung des Diffusors 13 an einer Verbreiterungsvorderkante 62, also beim Zusatz 14, und verbreitert sich in Überströmrichtung 37. Die Überströmrichtung 37 bildet mit einer seitlichen Begrenzungslinie 38 des Zusatzes 14 in der Ebene der äußeren Ober¬ fläche 25 einen spitzen Winkel α3, insbesondere 10° +/- 10%.In the embodiment of Figure 8 the Spread ¬ begins tion of the diffuser 13 at a widening front edge 62, ie when the appendage 14, and widens in the overflow 37. The overflow direction 37 forms with a side boundary line 38 of the additive 14 in the plane of the outer upper ¬ surface 25 an acute angle α3, in particular 10 ° +/- 10%.
Vorzugsweise abweichend von der Kontur 49 des beispielsweise bezüglich zweier aufeinander senkrecht stehender Achsen symmetrischen unteren Teils 24 verbreitert sich der Diffusor 13 quer zur Überströmrichtung 37 jeweils um einen Winkel α3, der insbesondere 10° +/- 10% beträgt, wobei die Verbreiterung bereits an einer Vorderkante 61 (in Überströmrichtung 37 ge- sehen) des Filmkühllochs 28 beginnt und sich bis zur Hinter¬ kante 64 erstreckt.Preferably, deviating from the contour 49 of the symmetrical for example with respect to two mutually perpendicular axes lower portion 24, the diffuser 13 widened transversely to the overflow 37 each by an angle α3, which is in particular 10 ° +/- 10%, the broadening already at Leading edge 61 (viewed in the overflow direction 37) of the film cooling hole 28 begins and extends to the rear edge ¬ 64.
Daher hat der Diffusor 13 in der Ebene der Oberfläche 25 einen trapezförmigen Querschnitt (Fig. 9) . Der Diffusor 13 wird durch ein Materialabtragungsverfahren, beispielsweise Elektronenbestrahlung oder Laserbestrahlung erzeugt. Nur so lässt sich eine Vielzahl von Kühllöchern genau und in reproduzierbarer Weise erzeugen.Therefore, the diffuser 13 has a trapezoidal cross section in the plane of the surface 25 (Fig. 9). The diffuser 13 is produced by a material removal method, for example, electron irradiation or laser irradiation. Only in this way can a multiplicity of cooling holes be produced accurately and in a reproducible manner.
Die Figuren 10, 11, 12 und 13 zeigen verschiedene Konturen des Filmkühllochs 28. Der untere Teil 24 des Filmkühllochs 28 ist hier nur bei¬ spielhaft quaderförmig ausgebildet, kann jedoch auch eine runde oder ovale Querschnittsform aufweisen.Figures 10, 11, 12 and 13 illustrate different contours of the film cooling hole 28. The lower portion 24 of the film cooling hole 28 is formed way of example only with cuboid ¬ here, but can also have a round or oval cross-sectional shape.
In Figur 10 ist der Diffusor 13 beispielsweise nur in Über- Strömrichtung 37 verlängert, sodass der Querschnitt der Aus¬ trittsöffnung 58 größer ist als der Querschnitt des unteren Teils 24. Das Filmkühlloch 28 entspricht also dem Filmkühlloch gemäß Figur 2, 6 oder 7.In Figure 10, the diffuser 13 is for example only extended in over-flow direction 37, so that the cross-section of from ¬ opening 58 is larger than the cross section of the lower portion 24 corresponding to the film cooling hole 28 so the film cooling hole according to FIG 2, 6 or 7th
Ausgehend von Figur 10 ist in Figur 11 ein Filmkühlloch 28 dargestellt, das sich noch quer zur Überströmrichtung 37 in Überströmrichtung 37 verbreitet, also Figur 8 entspricht.Starting from FIG. 10, FIG. 11 shows a film cooling hole 28 which is still spreading transversely to the overflow direction 37 in the overflow direction 37, that is to say corresponding to FIG.
In Figur 12 ist der Diffusor 13 beispielsweise nur quer zur Überströmrichtung 37 verbreitert, sodass auch hier der Querschnitt der Austrittsöffnung 58 größer ist als der Querschnitt des unteren Teils 24. Das Filmkühlloch 28 besteht beispielsweise aus einem quader- förmigen unteren Teil 24, an dem sich ein Diffusor 13 in Form eines Hexaeders mit parallelen, trapezförmigen Seitenflächen anschließt .In FIG. 12, the diffuser 13 is widened, for example, only transversely to the overflow direction 37, so that here too the cross section of the outlet opening 58 is greater than the cross section of the lower part 24. The film cooling hole 28 consists, for example, of a rectangular lower part 24, on which a diffuser 13 in the form of a hexahedron with parallel, trapezoidal side surfaces connects.
In Figur 13 ist der Diffusor 13 sowohl nur in Überströmrichtung 37 als auch in beiden Richtungen quer zur Überströmrichtung 37 verbreitert. Den Figuren 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 13 ist jeweils zu entneh¬ men, dass der Diffusor 13 in Überströmrichtung 37 gesehen größtenteils hinter der Austrittsöffnung 58 angeordnet ist. Dies bedeutet also, dass der Diffusor 13 durch eine unsymmet¬ rische Verbreiterung in Überströmrichtung 37 gesehen ausgebildet ist. Eine gleichmäßige Verbreiterung des Querschnitts des unteren Teils 24 des Filmkühllochs 28 auf der Höhe der äußeren Oberfläche 25 ist nicht gewollt. In Figur 6 ist deutlich zu erkennen und dazu beschrieben, dass der Zusatz 14 die Verbreiterung des Querschnitts in Überströmrichtung 37 darstellt, wodurch der Diffusor gebildet wird. Dies zeigt auch die Aufsicht gemäß Figur 7 zu Figur 6. In Figur 8 beginnt die Verbreiterung der Öffnung des Quer- Schnitts des Filmkühllochs in Überströmrichtung 37 ab der Linie 62.In FIG. 13, the diffuser 13 is widened transversely to the overflow direction 37 both in the overflow direction 37 and in both directions. Figures 6, 7, 8, 9, 10, 11 and 13 is that the diffuser is seen in the overflow 37 13 mostly disposed behind the outlet opening 58 respectively to entneh ¬ men. This means therefore that the diffuser is formed by a saw 13 unsymmet ¬ generic widening in the overflow 37th A uniform broadening of the cross section of the lower part 24 of the film cooling hole 28 at the level of the outer surface 25 is not intended. In FIG. 6 it can be clearly seen and described that the additive 14 represents the widening of the cross section in the overflow direction 37, whereby the diffuser is formed. This is also shown by the plan view according to FIG. 7 to FIG. 6. In FIG. 8, the broadening of the opening of the cross-section of the film cooling hole in the overflow direction 37 begins from the line 62.
In Figur 9 beginnt die Verbreiterung des Diffusors 13 bereits an der Vorderkante 61 in Überströmrichtung 37 gesehen. Eine Verbreiterung des Querschnitts des Filmkühllochs 28 auf der Höhe der äußeren Oberfläche 25 entgegen der Überströmrichtung 37, d. h. vor der Vorderkante 61 ist nicht vorhanden oder nur in geringem Umfang im Vergleich zu der Verbreiterung des Querschnitts in Überströmrichtung 37.In FIG. 9, the broadening of the diffuser 13 begins as seen at the front edge 61 in the overflow direction 37. A widening of the cross section of the film cooling hole 28 at the level of the outer surface 25 against the overflow direction 37, d. H. in front of the front edge 61 is absent or only to a small extent in comparison to the widening of the cross section in the overflow direction 37.
Figur 15 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.FIG. 15 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) .The blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406, one after another. As a guide vane 130, the vane 130 may have tip at its vane 415 a further platform (not Darge ¬ asserted).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown). The blade root 183 is, for example, as a hammerhead staltet out ¬. Other designs as fir tree or Schwäbwschwanzfuß are possible.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.The blade 120, 130 has a medium which flows past felblatt 406 at the spectacle ¬ a leading edge 409 and a trailing edge on the 412th
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.In conventional blades 120, 130, in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used. Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy. The blade 120, 130 can hereby be produced by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb ho- hen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be- steht aus einem (einzigen) Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.The production of such monocrystalline workpieces, for example, by directed solidification from the melt. These are casting methods in which the liquid metallic alloy solidifies into a monocrystalline structure, ie a single-crystal workpiece, or directionally. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar crystalline Grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece consists of a (single) crystal. In these methods, you have to transition to globular (polycrystalline) solidification avoided, since non-directional growth inevitably forms transverse and longitudinal grain boundaries ¬ which the good properties of the directionally solidified or single-crystal component nullify.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures). Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenba¬ rung.The term "directionally solidified structures" generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1; These documents are part of the Offenba ¬ tion.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.Likewise, the blades 120, 130 may be coatings against corrosion or oxidation (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths or hafnium (Hf)). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttrium¬ oxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.On the MCrAlX still a thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium ¬ oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120 is to be cooled 130, it is hollow and, if necessary, has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
Die Figur 16 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.16 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine 100. The combustion chamber 110 is designed for example as so-called an annular combustion chamber, in the circumferential direction in which a plurality of an axis of rotation 102 of burners 107 arranged in a common combustion chamber space 154, the flames 156 generate. For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme- dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.To achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C. A relatively long service life even with these handy, unfavorable for the materials to operational parameters made ¬, the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the medium M, Arbeitsme- facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutz- Schicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.Each heat shield element 155 made of an alloy is on the working medium side with a particularly heat-resistant protective Layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.These protective layers may be similar to the turbine blades, so for example MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX, for example, a ceramic thermal insulation layer may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or fully ¬ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitze¬ schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildele- mente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.Reprocessing (Refurbishment) means that heat shield elements must be freed 155 after use, where appropriate, protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Filmkühllöcher (nicht dargestellt) auf. Die Figur 17 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system. The heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have film cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154. FIG. 17 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section. The gas turbine 100 has an axis by a rotational ¬ 102 rotatably mounted rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor. Along the rotor 103 follow one another an intake housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.The guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn- kammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das ArbeitsmediumDuring operation of the gas turbine 100 104 air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ¬ seals. The be at the turbine end of the compressor 105 ¬ compressed air provided to the burners will lead 107 ge ¬ where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned to form the working medium 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium flows
113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120. On the blades 120, the working medium 113 relaxes in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unter- liegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch be- lastet.The components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100. The guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant. Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.As a material for the components, in particular for the turbine blade or vane 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron, nickel or cobalt-based alloys used Superle-. Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EPAlso, the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths or hafnium). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP
0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung Teil dieser Offenbarung sein sollen.0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by Ytt ¬ riumoxid and / or calcium oxide and / or magnesium oxide. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge¬ stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt. The guide vane 130 has an inner housing 138 of the turbine 108 facing guide vane root (not provide Darge ¬ here) and a side opposite the guide-blade root vane root. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

Claims

Patentansprüche claims
1. Bauteil mit mindestens einem Filmkühlloch (28), wobei das Bauteil (1) besteht aus einem Substrat (4) und zumindest einer Schicht (7, 10), wobei das Filmkühlloch (28) im äußeren Bereich einen Diffusor (13) aufweist,1. component having at least one film cooling hole (28), the component (1) consisting of a substrate (4) and at least one layer (7, 10), the film cooling hole (28) having a diffuser (13) in the outer region,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass der gesamte Diffusor (13) größtenteils in der zumin¬ dest einen Schicht (7, 10) angeordnet ist, dass die gesamte Beschichtungsdicke (26) mindestens 60%, insbesondere 70%, der entlang einer Senkrechten (27) zur äußeren Oberfläche (25) der mindestens einen Schicht (7, 10) gemessenen Gesamtlänge (19) des Diffusors (13) beträgt.that the entire diffuser (13) mostly in the at ¬ least one layer (7, 10) is arranged such that the total coating thickness (26) at least 60%, especially 70%, along a perpendicular (27) to the outer surface (25 ) of the at least one layer (7, 10) measured total length (19) of the diffuser (13).
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass2. Component according to claim 1, characterized in that
die Beschichtungsdicke (26) mindestens 80%, insbesondere 90% der Gesamtlänge (19) des Diffusors (13) beträgt .the coating thickness (26) is at least 80%, in particular 90% of the total length (19) of the diffuser (13).
3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass3. Component according to claim 1, characterized in that
die Beschichtungsdicke (26) gleich der Gesamtlänge (19) des Diffusors (13) ist. the coating thickness (26) is equal to the total length (19) of the diffuser (13).
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,4. Component according to claim 1, 2 or 3, characterized
dass das Substrat (4) eine äußere Oberfläche (43) aufweist, und dass das Filmkühlloch (28) unter einem von 0° verschie¬ denen spitzen Winkel (αl) zur äußeren Oberfläche (43), insbesondere von 30° - 45°, in der mindestens einen Schicht (7, 10) verläuft.that the substrate (4) having an outer surface (43), and that the film cooling hole (28) at a 0 ° various ¬ which acute angle (αl) to the outer surface (43), in particular of 30 ° - 45 °, in the at least one layer (7, 10) extends.
5. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,5. Component according to one or more of the preceding claims, characterized
dass ein Heißgas das Filmkühlloch (28) in Überströmrichtung (37) überströmt, dass ein Medium das Filmkühlloch (28) in Ausströmrichtung (46) durchströmt, dass das Filmkühlloch (28) einen unteren Teil (24) auf- weist, dass der Diffusor (13) als Teil des Filmkühllochs (28) sich an den unteren Teil (24) anschließt und in Ausströmrichtung (46) einen sich senkrecht zur Ausströmrichtung (46) verbreiternden Querschnitt aufweist, wobei der Querschnitt des Diffusors (13) sich insbesondere nur in Überströmrichtung (37) verbreitert. in that a hot gas flows over the film cooling hole (28) in the overflow direction (37), that a medium flows through the film cooling hole (28) in the outflow direction (46), that the film cooling hole (28) has a lower part (24), that the diffuser ( 13) as part of the film cooling hole (28) adjoins the lower part (24) and in the outflow (46) has a perpendicular to the outflow direction (46) widening cross section, the cross section of the diffuser (13) in particular only in the overflow ( 37) widened.
6. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,6. Component according to one or more of the preceding claims, characterized
dass ein Heißgas das Filmkühlloch (28) in Überströmrichtungthat a hot gas, the film cooling hole (28) in the overflow direction
(37) überströmt, dass ein Medium das Filmkühlloch (28) in Ausströmrichtung(37) flows over a medium, the film cooling hole (28) in the outflow direction
(46) durchströmt, dass das Filmkühlloch (28) einen unteren Teil (24) auf- weist, dass der Diffusor (13) als Teil des Filmkühllochs (28) sich an den unteren Teil (24) anschließt, dass eine Konturlinie (47) entlang der Kontur (49) des unteren Teils (24) parallel zur Ausströmrichtung (46) ver- läuft, dass eine Diffusorlinie (48) auf der Innenseite des Diffu- sors (13) verläuft, die (48) eine Projektion der Überströmrichtung (37) auf die(46) flows through the film cooling hole (28) has a lower part (24) that the diffuser (13) as part of the film cooling hole (28) adjoins the lower part (24) that a contour line (47) along the contour (49) of the lower part (24) parallel to the outflow direction (46) runs that a diffuser line (48) on the inside of the diffuser (13) extends, (48) a projection of the overflow (37 ) on the
Innenfläche eines Zusatzes (14) des Diffusors (13) ist, und dass die Diffusorlinie (48) einen spitzen Winkel (α2), insbesondere von 10°, mit der Konturlinie (47) aufweist.Inner surface of an additive (14) of the diffuser (13) is, and that the diffuser line (48) has an acute angle (α2), in particular of 10 °, with the contour line (47).
7. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,7. Component according to one or more of the preceding claims, characterized
dass ein Heißgas das Filmkühlloch (28) in Überströmrichtung (37) überströmt, dass das Filmkühlloch (28) einen unteren Teil (24) aufweist, dass der Diffusor (13) als Teil des Filmkühllochs (28) sich an den unteren Teil (24) anschließt und dass der Diffusor (13) sich in der Ebene der äußeren Oberfläche (25) der Schicht (7, 10) in Überströmrichtung (37) um einen spitzen Winkel (α3) zur Überströmrichtung (37), insbesondere um 10°, quer zur Überströmrichtung (37) verbreitert. in that a hot gas flows over the film cooling hole (28) in the overflow direction (37), that the film cooling hole (28) has a lower part (24), that the diffuser (13) as part of the film cooling hole (28) contacts the lower part (24) connects and that the diffuser (13) in the plane of the outer surface (25) of the layer (7, 10) in the overflow (37) by an acute angle (α3) to the overflow (37), in particular by 10 °, transverse to Overflow (37) widened.
8. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,8. Component according to one or more of the preceding claims, characterized
dass ein Heißgas das Filmkühlloch (28) in Überströmrichtung (37) überströmt, dass ein Medium das Filmkühlloch (28) in Ausströmrichtung (46) durchströmt, dass das Filmkühlloch (28) einen unteren Teil (24) aufweist, dass der Diffusor (13) als Teil des Filmkühllochs (28) sich an den unteren Teil (24) anschließt und in Ausströmrichtung (46) einen sich senkrecht zur Ausströmrichtung (46) verbreiternden Querschnitt aufweist, wobei die Fläche des Diffusors (13) in Überströmrichtung (37) gesehen auf Höhe der Oberfläche (25) größtenteils hinter dem Filmkühlloch (28) angeordnet ist.in that a hot gas flows over the film cooling hole (28) in the overflow direction (37), that a medium flows through the film cooling hole (28) in the outflow direction (46), that the film cooling hole (28) has a lower part (24), that the diffuser (13) as part of the film cooling hole (28) adjoins the lower part (24) and in the outflow (46) has a perpendicular to the outflow direction (46) widening cross-section, the surface of the diffuser (13) in the overflow (37) seen at height the surface (25) is arranged largely behind the film cooling hole (28).
9. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,9. Component according to claim 7, characterized
dass die Austrittöffnung (58) des Filmkühllochs (28) in Überströmrichtung (37) eine Vorderkante (61) und eine Hin- terkante (64) aufweist und dass sich der Diffusor (13) in der Ebene der Austrittsöff¬ nung von der Vorderkante (61) ausgehend verbreitert, sodass der Diffusor (13) in der Ebene der äußeren Oberfläche (25) trapezförmig ausgebildet ist. the outlet opening (58) of the film cooling hole (28) has a front edge (61) and a rear edge (64) in the overflow direction (37), and in that the diffuser (13) is in the plane of the outlet opening from the front edge (61 Widened starting, so that the diffuser (13) in the plane of the outer surface (25) is trapezoidal.
10. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,10. Component according to claim 7, characterized
dass der Diffusor (13) aus einer Fortsetzung der Kontur (49) des unteren Teils (24) und einem Zusatz (14) besteht und dass nur der Zusatz (14) des Diffusors (13) sich so zur äußeren Oberfläche (25) hin verbreitert, dass er (14) in der Ebene der äußeren Oberfläche (25) trapezförmig ist.in that the diffuser (13) consists of a continuation of the contour (49) of the lower part (24) and an attachment (14) and that only the additive (14) of the diffuser (13) widens towards the outer surface (25) in that it (14) is trapezoidal in the plane of the outer surface (25).
11. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,11. Component according to claim 9, characterized
dass zwischen der Überströmrichtung (37) und einer seitlichen Begrenzungslinie (38) des Zusatzes (14) des Diffusors (13) in der Ebene der Oberfläche (25) ein spitzer Winkel von (α3) , insbesondere von 10°, gegeben ist.that between the overflow direction (37) and a lateral boundary line (38) of the additive (14) of the diffuser (13) in the plane of the surface (25) is given an acute angle of (α3), in particular of 10 °.
12. Bauteil nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet,12. Component according to claim 5 or 7, characterized
dass der Diffusor (13) in der Ebene der äußeren Oberfläche (25) in Überströmrichtung (37) eine Längslänge (I1) auf¬ weist, die insbesondere 3mm beträgt, und dass die breiteste Querlänge (I2) senkrecht zur Längslänge (li) höchstens 10mm, insbesondere 2 bis 4mm beträgt. that the diffuser (13) has in the plane of the outer surface (25) in the overflow (37) has a longitudinal length (I 1) on ¬, which is in particular 3 mm, and in that the broadest transverse length (I 2) perpendicular to the longitudinal length (li) at most 10mm, in particular 2 to 4mm.
13. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass13. Component according to claim 1, 2 or 3, characterized in that
eine äußere Schicht (10) auf einer zwischenliegenden Schicht (7) aufgebracht ist.an outer layer (10) is applied to an intermediate layer (7).
14. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,14. Component according to claim 12, characterized
dass die zwischen liegende Schicht (7) aus der Legierung des Typs MCrAlX besteht und dass die äußere Schicht (10) insbesondere eine keramischein that the intermediate layer (7) consists of the alloy of the MCrAlX type and in that the outer layer (10) is in particular a ceramic one
Wärmedämmschicht darstellt.Represents thermal insulation layer.
15. Bauteil nach Anspruch 1, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass15. Component according to claim 1, 12 or 13, characterized in that
das Bauteil (1) ein Bauteil einer Dampf- oder Gasturbine (100) , insbesondere eine Turbinenschaufel (120, 130), ein Hitzeschildelement (155) ist. the component (1) is a component of a steam or gas turbine (100), in particular a turbine blade (120, 130), a heat shield element (155).
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